CCD-Sensor
Ein Charge-coupled Device (CCD) ist ein lichtempfindliches elektronisches Bauteil zur ortsauflösenden (fein gerasterten) Messung der Leuchtstärke. Das Bauteil besteht aus einer Matrix (oder seltener aus einer Zeile) mit lichtempfindlichen Zellen, die Pixel genannt werden (picture elements). Sie werden nacheinander durch eine Art Schieberegister elektrisch ausgelesen. Für jede Zelle wird die Lichtmenge digital im Computer verspeichert, was für Millionen Pixel nur Sekundenbruchteile dauert.
Diese modernen Bildaufnehmer sind vielfältig in Naturwissenschaften und Technik verwendbar, auch für sehr lichtschwache Objekte wie in der Astronomie. Sie beruhen auf dem Einstein'schen Fotoeffekt. Die einfallenden Lichtquanten lösen Elektronen aus der Halbleiterschicht und können mittels "Potentialtöpfen" quasi gezählt werden. Die Quantenausbeute kann über 80% betragen, gegenüber 5-10% bei Fotofilmen.
CCD-Arrays, Farb- und Liniensensoren
Ursprünglich wurden CCD Chips zur Datenspeicherung entworfen, es wurde jedoch schnell bemerkt, dass diese Chips lichtempfindlich sind, und ein zur eingestrahlten Lichtmenge proportionales Signal ausgeben.
Der CCD-Chip einer Digitalkamera besteht aus einer Matrix ("Array") von 300.000 bis zu mehreren 10 Millionen solcher lichtempfindlicher Zellen, die den Pixeln des aufgenommenen Bildes entsprechen. Sie sind meist quadratisch mit einer Kantenlänge von 5 bis 20 µm. Dazwischen verlaufen feine elektrische Leitungen, die zwar eine Lichteinbuße bedeuten, aber zum Auslesen und zur Abschirmung überbelichteter Zellen dienen. Größere Pixel bedeuten deshalb höhere Lichtempfindlichkeit, aber geringere Auflösung und unschärfere Bilder. Bei diesem Prozess entstehen jedoch nur Graustufenbilder.
Für Farbbilder wird eine höhere Zellenanzahl verwendet, wobei die Zellen abwechselnd mit Farbfiltern versehen werden. Ein Pixel ergibt sich also aus mehreren für verschiedene Farben empfindlichen Zellen. Meist erhalten je zwei von vier Pixeln winzige Grünfilter, die anderen rote und blaue. So wird genähert das menschliche Farbsehen modelliert, doch die Auflösung ist zweimal schlechter. Um wieder eine bessere Schärfe zu erzielen, werden die dazwischen liegenden Pixelfarben mathematisch interpoliert.
Die kombinierte Farb- und Helligkeitsinformation wird durch einen speziellen Algorithmus (Bayer-Filter) aus den einzelnen Elementen extrahiert. Anschließend wird sie beim meist verwendeten JPEG-Format in 8×8 großen Feldern durch Frequenzanalyse weiterverarbeitet, was gleichzeitig die Datenmenge reduziert. Künftige Verfahren werden Wavelet-Algorithmen verwenden.
Statt lichtempfindlicher Flächen sind auch CCD-Linien in Gebrauch, so genannte "Strips". Diese Sensoren werden z. B. in der Industrie oder bei der Scannerkasse von Supermärkten verwendet, wenn es nicht um Bilder, sondern um Scannen (optisches Abtasten) geht.
Anwendungen
CCD-Chips können sowohl für sichtbare Wellenlängen als auch für angrenzende Infrarot- und UV-Bereiche hergestellt werden. Dadurch erweitert sich das Spektrum für Sonderanwendungen von 0,5–0,8 µm auf etwa 0,3–1 µm.
- Bei der Videokamera ersetzten CCD-Sensoren das ältere Röhrenprinzip (Vidicon). Die klassische Auflösung der Videokameras nach PAL- oder NTSC-Norm liegt bei 440.000 Pixel und Bildwiederholraten von 25 Hz.
- Am Fotomarkt haben CCD-Digitalkameras eine Revolution bewirkt. Mit Erhöhung der Pixelanzahl verbreitete sich die Anwendung der CCD-Chips auf praktisch alle Anwendungen. Professionelle Fotokameras können durch Digitaltechnik mit Auflösungen von 5 bis 16 Megapixeln bereits in vielen Bereichen ersetzt werden. In der Fototechnik werden neben CCDs auch CMOS-Sensoren (Low-end und Canon) eingesetzt.
- Allgemeine Messtechnik: Zeilenkameras werden neben der Industrie z. B. auch in Spektroskopen und Scannern eingesetzt.
Neuentwicklung
- Eine neue CCD-Chip-Entwicklung ist der Super-CCD-Chip (Fuji-Patent) mit einer wabenförmigen Anordnung von achteckigen Pixeln, die enger beieinander liegen und damit eine größere Anzahl von Pixeln auf eine gegebene Fläche bringen.
- EMCCD (Elektron Multiplying CCD)
- EBCCD (Elektron Bombarded CCD)
- CMOS-Kameras
- CMOS-Sensor
- Ferro-Sensoren